MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA – Prof. Alessandro Farah DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fe-C
Diagrama de temperatura em função do teor de carbono.
Ligas com até 2% C são os aços e acima deste teor são os ferros fundidos. Os pontos E e E’ : Eutético (4,3%C) e Eutetóide (0,8%C).
Eutetóide (0,8%C) = (Perlita)
Hipoeutetóide ( < 0,8%C) = (Perlita + Ferrita) Hipereutetóide ( > 0,8%C) = (Perlita + Cementita)
Durante o processo de solidificação verifica-se nos aços o aparecimento de microconstituintes como austenita, ferrita, cementita e perlita.
Austenita: solução sólida de C no Fe , (cfc). Com os aços C comuns não é possível obtê-la à temperatura ambiente. Solubilidade 2,0%C.
Ferrita: solução sólida de C no Fe , (ccc). Origina-se na zona crítica durante o resfriamento, a partir da austenita, sendo estável a temperatura ambiente. Solubilidade 0,025%C.
Cementita: é o carboneto de ferro Fe3C, (ortorrômbico) muito duro e frágil. Dos constituintes dos aços a cementita é o mais duro. Solubilidade 6,67%C.
Perlita: é formada por finas lamelas justapostas de ferrita e cementita, ocorrendo abaixo de 723oC nas ligas Fe-C. Solubilidade 0,8%C.
TRATAMENTOS TÉRMICOS
A utilização das ligas metálicas é baseada principalmente nas suas propriedades mecânicas, propriedades estas que dependem basicamente da composição da liga, da sua estrutura cristalina e das suas condições de fabricação.
As propriedades mecânicas de ligas de aços C comuns, mesmo estado (recozidas), com diferentes teores de C: Aumento da %C, aumento do Escoamento e diminuição do Alongamento. Fixada a composição, o tratamento térmico pode determinar as propriedades desejadas, através da obtenção de uma estrutura cristalina, adequada.
Dependendo do tratamento térmico utilizado, pode-se, para uma mesma liga, aumentar a dureza e a resistência mecânica e, com isto, obter-se um aumento na resistência ao desgaste. Tratamentos térmicos que diminuam a dureza, aumentam a ductilidade da liga, e assim, melhoram a sua capacidade de sofrer usinagem.
Liga Trat. Térm. e(kgf/mm2) A (%)
Aço SAE 1080 Recozimento 46 14
Aço SAE 1080 Têmpera 200 1
Aço SAE 1080 Têmp. e Rev. 90 7
Liga e(kgf/mm2) A (%)
Fe puro () 10 62
Fe-C (0,2%) 23 35
Fe-C (0,8%) 46 14
O tratamento térmico consiste em aquecer e manter as peças a temperaturas
adequadas, durante um certo tempo e resfriá-las em um meio conveniente, com o
objetivo de se modificar a microestrutura e alterar as propriedades mecânicas.
Controle de temperatura de aquecimento (depende do tratamento térmico e da composição da liga) e tempo de resfriamento (depende do meio utilizado).
RECRISTALIZAÇÃO - DIFUSÃO
O tratamento térmico envolve processos como recristalização e difusão, ocorrendo já em soluções sólidas. A transformação (cfc) para (ccc) se dá por deslocamento de átomos de ferro. Os átomos movimentam-se por curtas distâncias, frações de parâmetros. O fenômeno da difusão consiste no caminhamento de átomos através do reticulado cristalino. Em temperaturas elevadas, os átomos oscilam em torno de suas posições de equilíbrio. Com isto o C pode saltar por entre dois átomos de ferro vizinhos.
RECOZIMENTO
Dar ao material um estado muito próximo ao do equilíbrio químico-estrutural.
Quando um metal é deformado a frio (encruamento), ocorre uma deformação cristalina, com consideráveis alterações nas suas propriedades mecânicas.
Aquecimento > vibração maior dos átomos <> posição de equilíbrio. Objetivos
Regularizar a estrutura bruta de fusão (maior homogeneidade); Melhorar a ductilidade e usinabilidade;
Eliminar tensões provenientes de operações mecânicas anteriores; Eliminar tratamentos térmicos ou mecânicos anteriores.
No recozimento o resfriamento é bastante lento (forno, velocidade controlada) Este tratamento compreende de três estágios principais
Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grão Microestrutura
Ferrita(), Perlita(P) e Cementita (Fe3C)
Recozimento de Homogeneização (Difusão)
Objetivo: estrutura mais homogênea através da difusão dos elementos de liga Temperatura: 1050 a 1200ºC Temperatura Difusão
Tempo: composição química e dimensões da peça [2 a 45h ou + (Cr,Ni,Mo,W)] Temperatura alta e Tempo longo causam aumento do Tamanho de Grão Recozimento de Globulização (Esferoidização) (Coalescimento)
Objetivo: estrutura globular (facilitar a usinagem)
Temperatura: 680 a 740ºC (dependendo da composição química) Tempo: composição química
Recozimento de Alívio de Tensões
Objetivo: eliminar tensões de trabalhos a quente ou a frio, cortes, desbastes, etc Temperatura: 500 a 650ºC (resfriamento bastante lento)
Peças com tendência a se deformar na têmpera, deverão ser submetidas, após desbaste ou imediatamente antes do acabamento, ao alívio de tensões. As tensões podem conduzir a certas deformações ou a fraturas de têmpera.
Recozimento Pleno
Objetivo: amolecer o aço e regenerar sua microestrutura, apagando tratamentos térmicos anteriores
Temperatura: função da composição química
Aços Hipo e Eutetóides 50ºC acima do limite superior da zona crítica Aços Hipereutetóides 50ºC acima do limite inferior da zona crítica
Tempo: - necessário para permitir a difusão do C e dos elementos de liga - em aços comuns é recomendado 20min/pol de espessura da peça Alguns Cuidados
Controle do tempo e da temperatura (aumento do T.G. e Queima do aço);
Aquecimento homogêneo em toda a peça, para evitar distorções por dilatação pelo aquecimento e mudança de fases;
Deve-se colocar no forno frio e ir aquecendo;
Controlar a atmosfera do forno (evitar oxidação e descarbonetação superficial);
NORMALIZAÇÃO
Consiste em se aquecer o aço a temperaturas acima do limite superior da zona crítica (Z.C.) seguido de resfriamento, geralmente ao ar.
A temperatura é de 30ºC acima da temperatura de recozimento para aços hipo e eutetóides. Para aços hipereutetóides, é de 50ºC acima do limite superior da Z.C.. Objetivos
Uniformizar e refinar a estrutura; Pré tratamento para a têmpera. Microestrutura
Aços hipoeutetóides perlita fina + ferrita; Aços eutetóides perlita fina;
Aços hipereutetóides perlita fina + carbonetos dispersos.
Forma lamelas de perlita mais finas. Elas se formam pela migração (difusão) do C. Esta difusão exige tempo e a espessura das lamelas depende da velocidade de resfriamento, ou seja, tanto mais finas quanto maior for esta velocidade.
Propriedades da Normalização em Relação ao Recozimento
NORMALIZADO RECOZIDO
%C (MPa)L. E. (MPa)R. T. Along.(%) Estric.(%) Durez(HB) (MPa)L. E. (MPa)R. T. Along.(%) Estric.(%) Durez(HB)
0,01 180 315 45 71 90 125 290 47 71 90 0,20 315 450 35 60 120 250 410 27 64 115 0,40 355 595 27 43 165 310 525 30 48 145 0,60 420 765 19 28 220 345 670 23 33 190 0,80 490 940 13 18 280 365 805 15 22 220 1,00 700 1065 7 11 295 355 755 22 26 195 1,20 700 1070 3 6 315 355 715 24 39 200 1,40 670 1035 1 3 360 350 690 19 25 215
É utilizado em peças fundidas ou forjadas para regularizar sua estrutura.
É um tratamento típico de aços até‚ 0,5%C. Aços com 0,2 a 0,3%, depois de normalizados, não sofrem qualquer tratamento posterior.
Para teores de C mais elevados, utiliza-se a normalização como um tratamento pré-têmpera, pois a granulação mais fina obtida, diminui os perigos da têmpera.
INFLUÊNCIA DA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO NAS TRANSFORMAÇÕES DA AUSTENITA - CURVAS TTT
As transformações das fases sólidas, são dependentes do tempo. A maioria destas transformações se baseia na difusão. Na maioria dos processos industriais a velocidade de queda de temperatura após a fabricação é tal que mantém a liga em condições de equilíbrio de fases. Freqüentemente, quando se atinge a temperatura ambiente, a energia térmica do sistema é muito baixa para provocar uma transformação de fase. Nestas
condições, as estruturas de não equilíbrio, por ventura existentes são retidas, a não ser que seja aplicado outro tratamento térmico.
Comportamento do aço eutetóide resfriado a temperaturas variadas.
Baixas Velocidades Perlita Grossa
Médias Velocidades Perlita Fina ou Bainita Altas Velocidades Martensita
As relações entre a temperatura que ocorre a transformação da e a estrutura e propriedades das fases produzidas, com o tempo, podem ser analisadas com referência no diagrama Tempo-Temperatura-Transformação (TTT). Diagramas TTT relacionam a temperatura na qual está ocorrendo a transformação da austenita, com o tempo necessário para a transformação, bem como com o tipo de estrutura que se forma na temperatura em questão.
A martensita começa a aparecer abaixo de uma determinada temperatura. Esta transformação é instantânea (ocorre por cisalhamento, sem difusão). Para cada temperatura de transformação se processa uma determinada % de . Para ser aumentada a quantidade de martensita formada da austenita, a temperatura deve ser abaixada.
CURVAS TTT x CURVAS CCT
No diagrama TTT, as transformações se processam à temperatura constante.
Na prática, os resfriamentos das peças não são isotérmicos, existindo sempre uma velocidade de resfriamento que pode ser representada por uma curva contínua. A estrutura obtida em uma transformação isotérmica, é uniforme, pois os fenômenos de nucleação, crescimento de grãos e difusão, ocorrem a uma mesma temperatura. No resfriamento contínuo, a estrutura final é uma mistura de estruturas, cada uma obtida em níveis de temperatura diferentes, à exceção da curva com resfriamento menor que a velocidade crítica para a transformação martensítica.TÊMPERA
A velocidade de resfriamento influencia na transformação da austenita.
Aço eutetóide com velocidades de resfriamento baixas forma Perlita grossa. Aumento da Velocidade de Resfriamento forma cementita + fina por difusão sem longas migrações. De início, lamelas de carboneto mais finas (perlita fina), depois somente carbonetos puntiformes (bainita) e finalmente nenhum carboneto além de vestígios, mas uma solução supersaturada de carbono (martensita).
Com as estruturas perlita fina, bainita e martensita, nos afastamos gradualmente do equilíbrio e alcançamos com isso, um considerável aumento de dureza.
DM > DB > DPF > DPG (diminuição do espaçamento entre as partículas de carbonetos).
A têmpera oferece maior endurecibilidade, cujo produto de transformação é a
martensita [solução supersaturada de C, alta densidade de defeitos-discordâncias (ou
interfaces de maclas) que impedem a deformação subsequente do material]. Algumas propriedades da martensita:
- Se forma por escorregamento e cisalhamento de certos planos, ocorre então sem difusão e portanto, rapidamente (1000 m/s);
- Dureza : 50 a 68 HRc; - Resistência: 170 a 250 kg/mm2; - Alongamento: 0,5% a 2,5%.
No resfriamento, a tendência de transformação da fria é tão grande, que a rede espacial começa a mudar de estrutura, os átomos de C dissolvidos na rede cfc não cabem nos interstícios menores da rede ccc, e realmente chegam a separar os átomos da célula elementar, de maneira que ela fica deformada tetragonalmente.
Quanto maior a %C, maior a deformação e maior dureza. MORFOLOGIA DA MARTENSITA
A martensita apresenta morfologias distintas nos aços de alto e baixo C. Forma de Ripas (Lath): ripas que se apresentam em feixes;
Forma de Placas (Plate): plaquetas ou na forma lenticular (acicular). TEMPERATURAS DE AQUECIMENTO
Aços hipoeutetóides, busca-se estrutura totalmente austenítica. (> Z.C.);
Aços hipereutetóides, 50 ºC > limite inferior da Z.C., igual se aquecesse acima dela. Só interessa, transformar a perlita em austenita, já que a cementita é mais dura que a martensita, podendo a cementita ficar junto com a martensita.
TEMPO
O tempo depende de vários fatores: Composição química, dimensão da peça, etc. Aço sem liga ou de baixa liga: 5 min/10mm de espessura;
Aços média liga : 7 min/10mm de espessura; Aços alta liga : 10 min/10mm de espessura.
O resfriamento rápido é feito geralmente em água, óleo, banho de sal ou ao ar.
ALGUNS CUIDADOS DURANTE O AQUECIMENTO
Aquecimento lento (evitar tensões devido às diferenças de temperatura); A peça dever também ocupar 1/3 do volume total do forno.
Há que se cuidar também da atmosfera do forno (descarbonetação ou oxidação). ERROS COMETIDOS NA TEMPERA
Dureza insuficiente ou não homogênea: Temp. insuficiente ou muito alta; Aquecimento irregular; Tempo longo; Descarbonetação superficial; Zonas moles (bolhas de vapor); etc.
Fraturas na têmpera: Aquecimento irregular; Meio de têmpera pouco severo; Introdução da peça fria no forno quente; etc.
Deformação: Grandes variações da seção da peça; Aquecimento rápido; Ausência de um recozimento de alívio de tensões; etc.
TEMPERABILIDADE
É a suscetibilidade que o aço tem de desenvolver uma estrutura martensítica.
A temperabilidade é medida pela profundidade (penetração) de têmpera. Uma peça é considerada temperada, quando a microestrutura de seu núcleo contiver quantidade de martensita igual ou superior a 50%.
FATORES QUE INFLUEM NA TEMPERABILIDADE
Deslocam as curvas TTT para a direita e o aço se torna mais temperável.
Tamanho de Grão: Aumento do T.G. desloca as curvas para direita, aumentando a temperabilidade.
Homogeneidade da Austenita: Maior heterogeneidade, maior taxa de nucleação e portanto menor temperabilidade.
Temperatura de Austenitização: Aumento da temperatura de austenitização, maior homogeneidade e portanto maior temperabilidade.
Composição Química: Os elementos de liga deslocam as curvas para direita (exceto o Co).
MEDIDAS DE TEMPERABILIDADE
Curvas em U: variação da dureza ao longo do raio (da periferia ao centro); Diâmetro Crítico Ideal: a partir de um certo diâmetro o núcleo não se tempera; Ensaio Jominy: num único cp se obtém várias velocidades de resfriamento.
REVENIDO
Os aços depois da têmpera ficam geralmente duros e frágeis para o uso a que vão ser destinados. Através do tratamento térmico de revenido, é possível corrigir em parte estes inconvenientes.
O objetivo deste tratamento é modificar os efeitos da têmpera, diminuindo a dureza e resistência, aumentando a tenacidade e eliminando também as tensões internas que existem nos aços temperados.
Consiste em aquecer o aço a uma temperatura mais baixa que a crítica inferior (temperatura do eutetóide), esfriando-se geralmente ao ar, em água ou óleo.
As variações de dureza são função do tempo e da temperatura do revenimento. Em geral, nos primeiros minutos de revenimento a perda de dureza é acentuada, porém a partir de 2 horas de revenimento, a perda de dureza não é expressiva. Então, se desejamos diminuir a dureza do aço, seria mais conveniente aumentar a temperatura, do que mantê-lo numa temperatura inferior por um tempo mais longo.
FRAGILIDADE DO REVENIDO
O objetivo do revenido dos aços‚ é aumentar a tenacidade. Entretanto, em alguns casos, o revenido pode ter efeito contrário, fragilizando o material. Entre 230 e 370ºC, em alguns aços, se observa uma diminuição da tenacidade. Embora a estrutura apresente um certo amolecimento, não apresenta, como era de se esperar, um aumento da tenacidade, mas sim uma diminuição. O fenômeno é devido à morfologia da cementita precipitada nestas temperaturas, quando esta forma uma rede ou película que envolve as agulhas de martensita. O Si elimina esta fragilidade. A adição de Mo (de 0,15 a 0,5%) também.
TRATAMENTOS SUPERFICIAIS TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS
Objetivo: aumento da dureza e resistência ao desgaste superficial dos aços, mantendo
seu núcleo dúctil e tenaz, atendendo ao que certos mecanismos impõem, de peças que sofram simultaneamente: desgaste e ou choques.
O aumento da dureza se dá através da penetração no aço, de elementos que se combinam, modificando parcialmente a composição química.
Tipos:
*0 Cementação - o carbono (C) *1 Nitretação - o nitrogênio (N2)
*2 Carbonitretação - o carbono (C) + nitrogênio (N2)
*3 Boretação - o boro (B)
CEMENTAÇÃO
Consiste basicamente em se aumentar o teor de carbono da superfície das peças de aço, rodeando-as com um meio carburante e mantendo o conjunto, durante certo tempo, à elevada temperatura.
A cementação pode ser sólida, líquida ou gasosa. Em qualquer dos casos, para que a absorção do C se dê com facilidade, é necessário que o aço se encontre no estado austenítico. Temperaturas normais usadas no processo (900 a 950ºC).
Absorção do C aumenta com a temperatura. A ll45ºC, o aço absorve até‚ 1,7%C. Quando a temperatura se encontra em faixas mais baixas, por exemplo 720ºC, o ferro se encontra no estado ccc, sendo que sua capacidade de absorção é muito baixa.
Camada Cementada
Considera-se como camada cementada, a zona periférica da peça que fica com teor de C superior à do aço original. Esta camada após sofrer tratamento térmico, fica com dureza superior a 58-60 RC, correspondendo à % de C da ordem de 0,8 a 0,9.
As espessuras das camadas cementadas que normalmente se empregam em peças de máquinas e motores, podem ser agrupadas em:
FINAS: espessura < 0,5mm (peças pequenas de aço C; cementação líquida e as peças são temperadas diretamente a partir da temperatura de cementação).
MÉDIAS: São as mais comuns. A espessura varia de 0,5 a l,5mm.Nestes casos, pode-se empregar a cementação sólida, líquida ou gasosa.
GRANDES: São consideradas grandes espessuras > l,5mm (cementação sólida).
Penetração e distribuição do carbono
A quantidade e distribuição do C absorvido pelas peças, depende: *4 Da composição do aço submetido à cementação; *5 Da natureza da substância cementante;
*6 Da temperatura e da duração da cementação.
Cementação Sólida
Utilizam-se, caixas metálicas, de aços-liga resistentes ao calor, no interior das quais são colocadas as peças juntamente com o cementante sólido, normalmente constituído de carvão vegetal com cerca de 5 a 20% de substâncias ativadoras (carbonato de sódio, K, Ca, etc). Esta mistura é aglomerada com uma solução de óleo comum ou de linhaça.
As reações que ocorrem durante o processo, são as seguintes:
2C + O2 2CO
2CO C + CO2
C + 3Fe Fe3C
Estas reações vistas acima, são reversíveis. Então, aumentando-se a taxa de CO2, a
reação torna-se de descarbonetação da superfície. Espessura > 0,6 mm.
Cementação Gasosa
Utilizam-se em geral, dois tipos de gases, o gás veículo e o gás cementante. Os gases veículos são: N2, CO, CO2, H2 e CH4 ou mistura deles. Sua função é a de arrastar
para dentro do forno, o gás carbonetante. Os gases cementantes mais usados são: o gás
natural (CH4), o propano (C3H8) ou uma mistura de ambos.
Neste processo mantendo-se as peças de 1 a 8 h em atmosfera carburante em temperaturas de 850 a 950ºC, se obtém camadas cementadas de 0,2 a l,5mm.
Cementação Líquida
A cementação em meio líquido é obtida por uma mistura de sais fundidos, onde o elemento ativo é o cianeto ou cianureto de sódio. Outros sais são adicionados (cloretos e carbonatos alcalinos) para diluir o cianeto ou para ativar as reações.
Ba(CN)2 + 3Fe C (no ferro) + BaCN2
Os sais que se utilizam para a cementação dos aços, podem ser classificados em grupos, em função da espessura da camada.
Camadas de pequena espessura, de 0,08 a 0,8mm (baixa temperatura: 840 a 900ºC).
Camadas de grande espessura, de 3mm (alta temperatura: 900 a 955ºC).
Aços para cementar
Aços com carbono na faixa de 0,08 a 0,25% se prestam à cementação.
O baixo carbono é porque a difusão é mais rápida e principalmente porque, núcleo de baixo C significa boa tenacidade e resistência ao choque das peças.
Se desejar uma resistência do núcleo mais elevada, pode-se optar por uma maior porcentagem de C, em torno de 0,3% e principalmente com elementos de liga, de tal modo a proporcionar, após tratamento térmico, martensita revenida no núcleo.
Em geral, a escolha do aço para a confecção de uma peça a ser cementada, será feita pelo meio de têmpera, que pode ser empregado para a peça (tamanho/forma) e pelas propriedades desejadas no núcleo cementado. Estes fatores são influenciados pelo teor de C e pelo teor dos diferentes elementos de liga.
Deve-se preferir um aço com granulação fina que exige normalmente uma única operação de têmpera, que, em muitos casos, pode ser realizada diretamente da temperatura de cementação.
Por este motivo e para facilitar a usinagem prévia das peças, estas são normalmente normalizadas.
